CN102620811B

CN102620811B - 一种高精度外差激光测振仪

Info

Publication number: CN102620811B
Application number: CN201210087459.0A
Authority: CN
Inventors: 刘爱东; 于梅; 杨丽峰; 左爱斌; 马明德
Original assignee: National Institute of Metrology
Current assignee: National Institute of Metrology
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2032-03-29
Also published as: CN102620811A

Abstract

本发明公开了一种外差激光测振仪，其包括光学部件，适于利用激光来生成干涉光，其中干涉光具有与由于多普勒效应而导致的第一频移和参考光被频移的第二频率值相关的频率分量；光电转换器，配置为将干涉光转换为电测量信号；混频器，被配置为将电测量信号与具有第三频率的外部振荡信号进行混频以获得混频信号；数字转换器，被配置为将所述混频信号转换为数字信号；数字运算单元，被配置为对所述数字信号进行数字运算以获得有关被测对象的振动信息；鉴频器，其耦接到数字转换器，从而从数字信号中鉴别出第一频移，而外部振荡信号基于鉴频器所鉴别出的第一频移而生成。

Description

一种高精度外差激光测振仪

发明领域

本发明涉及激光干涉测量领域，尤其涉及利用多普勒原理来测量被测对象的运动信息的外差激光测振仪。

背景技术

目前，外差激光测振仪广泛应用于针对运动物体的测量，尤其是应用于振动测量领域中。外差激光测振仪一般利用多普勒原理进行测量。图1示出了根据现有技术的外差激光测振仪100的示意图。如图1所示，外差激光测振仪100在整体上可以分为两个部分，即光学部件部分110和信号处理部分120。一般而言，光学部件部分110包括对被测物体130进行测量所需的光学部件，并输出测量所获得的电信号来由信号处理部分120来进行信号处理，以获得有关被测物体130的各种运动信息，尤其是振动信息。

具体而言，在光学部件部分110中，激光源1110发射的光被偏振分光镜1120分为参考光和测量光。测量光通过聚焦透镜组1130而聚焦在被测物体130上，当被测物体130运动时，会产生一个频移Δf。为了确定被测物体130的振动方向，在参考光的光路中使用由晶振单元1140生成的频率为f_d的晶振信号来驱动声光调制器1150（例如为布拉格盒）来对参考光进行移频。从被测物体130返回的测量光在偏振分光镜1160处与带有频率偏移量f_d的参考光进行干涉，干涉光由光电接收器1170进行光电转换，并因此向信号处理部分120输出包含频率分量(f_d+Δf)的调制电信号U₁，即

Figure 2012100874590100002DEST_PATH_IMAGE001

。

在信号处理部分120中，为了便于数据采集，需要对所接收的电信号进行降频解调。为此，首先在混频器1210中，将该电信号U₁与具有一定频率f_l的外部振荡信号

Figure 2012100874590100002DEST_PATH_IMAGE002

进行混频。随后在低通滤波器1220中进行低通滤波来去除高频部分，从而得到信号调制在低频信号上的载波信号，即

Figure 2012100874590100002DEST_PATH_IMAGE003

。在低频信号上的载波信号U随后经由A/D数据采集器1230转换为数字信号，并接着在数字运算单元1240中进行数字运算处理，从而获得有关被测物体130的振动的速度，加速度、位移等物理参数。有关数字运算单元1240中进行的数字运算处理，可以参见国际标准ISO16063-II部分的具体内容，该内容通过引用在此全部并入，并不在进行赘述。

应当注意的是，在现有技术的外差激光测振仪100中，存在有两个参考频率，一个为在光学部件部分110中用于对参考光进行频移时的晶振信号的调制频率f_d，另一个为在信号处理部分120中电信号要与之进行混频的外部震荡信号U₂的频率f_l。这两个信号分别由两个晶振驱动，而晶振会受到环境因素如温度、磁场等的影响，所以这两个信号的振荡频率实际上存在变化，即分别为f_d+

Figure 2012100874590100002DEST_PATH_IMAGE004

与，f_l+

Figure 2012100874590100002DEST_PATH_IMAGE005

。因此由光电接收器1170输出的电信号为

Figure 2012100874590100002DEST_PATH_IMAGE006

，而外部振荡信号为

Figure 2012100874590100002DEST_PATH_IMAGE007

。而低频载波信信号则并变成为：

Figure 2012100874590100002DEST_PATH_IMAGE008

。从中可以看出，这两个变化

和

会给测量结果Δf带来误差，Δf随着速度的减小会减小，当Δf与（）接近时，这种误差影响因素变大，从而使得现有的外差激光测振仪测量误差变大。

另外，由于Δf是随速度而发生变化的量，但是其却载波在一个固定带宽频率（f_l-f_d）的信号上，也就是说，对于同样采样频率的AD数据采集，不论Δf如何变化，分辨率是固定的。因此，当由于速度较低而导致Δf较小时，现有的外差激光测振仪会存在测量精度不高的问题。

因此，希望提供一种可以进一步提高外差激光测振仪的测量精度，并且使得外差激光测振仪可以良好地应用于低频振动对象测量等领域的新的外差激光测振仪。

发明内容

为此，本发明提出了一种可以解决或者缓解上述问题的至少一部分的新的外差激光测振仪。

根据本发明的一个方面，提供了一种外差激光测振仪，包括光学部件，适于利用激光来生成干涉光，其中该干涉光具有与由于多普勒效应而导致的第一频移和参考光被频移的第二频率值相关的频率分量；光电转换器，配置为将干涉光转换为电测量信号；混频器，被配置为将电测量信号与具有第三频率的外部振荡信号进行混频以获得混频信号；数字转换器，被配置为将所述混频信号转换为数字信号；数字运算单元，被配置为对所述数字信号进行数字运算以获得有关被测对象的振动信息。

根据本发明的外差激光测振仪还包括鉴频器，其耦接到数字转换器，从而从数字信号中鉴别出第一频移，而外部振荡信号基于鉴频器所鉴别出的第一频移而生成。

由于混频器混频时采用的外部振荡信号的频率和第一频移相关，因此，混频后的低频部分不再是一个固定带宽频率，而是随着第一频移的变化而变化，这样，就可以在由于被测对象速度过低而导致第一频移较小时，仍然可以提供较高的采样分辨率，从而提高了测量精度。

可选地，根据本发明的外差激光测振仪还包括本振信号发生器，被配置为接收鉴频器鉴别出的第一频移以及具有第二频率的晶振信号来生成第三频率的外部振荡信号，其中第三频率的值被设置为第一频移和预定系数的乘积与第二频率之和，而预定系数为大于1的预设值。

可选地，在外差激光测振仪中，光学部件包括第一分光仪，被配置为将激光源生成的激光束分为参考光和测量光；物镜，被配置为将测量光投射到具有被测对象上并接收从被测对象反射的测量光；声光调制器，由具有第二频率的晶振信号驱动来对所述参考光进行频移；以及第二分光仪，被配置为对由物镜接收的反射测量光和由声光调制器频移后的参考光进行干涉以生成干涉光。

可选地，根据本发明的外差激光测振仪还包括晶振源，用于提供具有第二频率的晶振信号，其中该具有第二频率的晶振信号被同时提供给光学部件和本振信号发生器。

由于在光学部件中对参考光进行频移的晶振信号和本振信号发生器所采用的晶振信号来自同一个晶振源，由混频器混频而产生的混频信号的低频分量中，对参考光进行频移而引入的外部频率干扰和外部振荡信号中的频率干扰可以相互抵消，从而进一步提高了外差激光测振仪的测量精度。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。其中在附图中，参考数字之后的字母标记指示多个相同的部件，当泛指这些部件时，将省略其最后的字母标记。在附图中：

图1示意性地示出了现有技术中的外差激光测振仪100的示意图；以及

图2示意性地示出了根据本发明实施例的外差激光测振仪200的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的描述。

图2示意性地示出了根据本发明一个实施例的外差激光测振仪200的示意图。在图2中，与图1所示的现有技术中的外差激光测振仪100的部件相同或者类似的部件以相同或者类似的方式示出，并且不再进行进一步详细描述。

如图2所示，类似于图1所示的现有外差激光测振仪，外差激光测振仪200在整体上可以分为光学部件部分210和信号处理部分220。光学部件部分210包括用于生成激光束的激光源2110、利用激光源2110生成的激光束来对被测对象230进行外差干涉测量的光学组件2120、以及将光学组件所生成的干涉光进行光学转换以获得电信号的光电转换器2130。

光学组件2120具有和图1中记载的相应光学部件类似的部件。如外差激光干涉测量所要求的那样，光学组件可以将所生成的激光束分为参考光和测量光，将测量光投射到被测对象230上并接收从被测对象反射的、具有频移Δf的测量光，将参考光频移一个频率f_d，然后对所反射的测量光和经频移的参考光进行干涉以生成干涉光，该干涉光在频率方面具有频率分量(f_d+Δf)。可选地，频率f_d设置为40M赫兹。

应当注意的是，本发明不局限于特定光学组件2120中的特定光学部件，任何适于在外差激光干涉测量中采用的光学部件都在本发明的保护范围之内。

根据本发明的一个实施例，在光学组件2120中，第一分光仪2140可以将激光源2110生成的激光束分为参考光和测量光。物镜组2150通过例如偏振、聚焦等光学处理将测量光投射到被测对象230上并接收从被测对象230反射的测量光。物镜组2150可以采用本领域常用的光学结构，可选地，物镜组2150可以包括分光镜2152和透镜2154。由于多普勒效应，所反射的测量光具有频移Δf。而在参考光路中，声光调制器2160利用具有频率fd的晶振信号来对参考光进行频移。这样，当从被测对象230反射回来的测量光和经频移的参考光在第二分光仪2170处进行干涉时，所生成的干涉光在频率方面具有频率分量(f_d+Δf)。

光电转换器2130接收该干涉光，并且将该光转换成电信号。随后由信号处理部分220来对该电信号进一步处理以获得被测对象的详细运动信息。

信号处理部分220包括混频器2210，其可以利用具有频率f_l的外部振荡信号U₂()与电信号U₁进行混频以获得混频信号。由于混频信号可以具有频率f_l、f_d和Δf的各种组合方式，而对于后续处理来说，混频信号中的低频分量f_l-f_d-Δf就足够。因此，可选地，信号处理部分220还包括耦接到混频器2210的低通滤波器2220，来对混频信号进行低通滤波以去除混频信号的高频部分，以获得混淆信号中的低频分量

，随后将低频信号U发送给数字转换器2230来将混频信号转换为数字信号。数字转换器2230可以是任何适于将模拟信号转换为数字信号的模数转换器。数字运算单元2240对该数字信号进行数字运算以获得有关被测对象的运动信息。有关数字运算单元2240中进行的数字运算处理，可以参见国际标准ISO16063-II部分的具体内容，该内容通过引用在此全部并入，并不在进行赘述。

信号处理部分220还包括耦接到数字转换器2230的鉴频器2250，以从数字信号中鉴别出频移Δf。存在有多种方式从数字信号中鉴别出特定频率。例如，Labview工具包中就提供了相应的频率测量功能可以用于从数字信号中鉴别频率，该鉴频功能可以在本发明的鉴频器2250中采用。鉴频器2250所鉴别出的频移Δf可以用于生成在混频器2210中采用的外部振荡信号U2，因此外部振荡信号U的频率f_l包括有固定频率部分f_d1和与频移Δf相关的部分。这样，当由于被测对象速度过低而导致频移Δf较小时，f_l-f_d-Δf也相应较小，从而仍然可以提供较高的采样分辨率，从而提高了测量精度。

可选地，信号处理部分220还包括用于本振信号发生器2260，耦接到鉴频器2250来接收频移Δf，并同时接收具有固定频率f_d1的晶振信号f_d1，以生成外部振荡信号U并发送给混频器2210来进行混频。本振信号发生器2260所生成的振荡信号U的频率f_l和固定频率f_d1和频移Δf之间具有如下关系，f_l=f_d1+a₀*Δf。预定系数a₀为预设的固定值，其被设置为大于1。在实践中，可以将a₀设置为2或者1.5。这样，数字转换器所提供的数字信号具有（f_d1-f_d）+（a₀-1）*Δf的低频分量。如果f_d1和f_d充分接近，则提供给数字运算单元的数字信号具有与Δf相关的频率分量，其随着被测对象速度的变化而变化，从而可以提供较高的分辨率。

从上面可以看出，为了提供更高的测量精度，f_d1和f_d应当充分接近。根据本发明的一个实施例，可以将f_d1和f_d设置为相同的值。例如可以将f_d1和f_d都设置为40MHz。然而如本发明背景技术部分所介绍的那样，如果提供给本振信号发生器2260的晶振信号和提供给声光调制器2160的晶振信号由不同的晶振源来提供，则即使将f_d1和f_d值设置为相同，也会由于各个晶振源受环境影响而导致的振荡频率存在不同的偏移，导致f_d1和f_d存在实际的不同。

因此，可选地，为了使得f_d1和f_d充分接近，根据本发明的一个实施例，外差激光测振仪还包括单个晶振源240，用于同时提供具有频率f_d的晶振信号给声光调制器2160和本振信号发生器2260。这样，可以进一步提高测量精度。

根据本发明的外差激光测振仪利用单个晶振源来提供晶振信号给光学组件和本振信号发生器，从而使得激光测振仪采用的外部参考信号共同使用同一个时基，这减小环境因素引起的扰动。另一方面，根据本发明的外差激光测振仪通过鉴频器和混频器等的设计把用于降频的本振信号变成一个跟随频移变化的一个跟随信号，这进一步提高了测量分辨率。

应该注意的是，上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

Claims

1.一种外差激光测振仪，包括:

激光源，被配置为生成激光束；

光学组件，被配置为将所生成的激光束分为参考光和测量光，将测量光投射到被测对象上并接收从被测对象反射的、具有第一频移的测量光，将参考光频移达第二频率值，随后对从被测对象反射的测量光和频移了的参考光进行干涉以生成干涉光；

光电转换器，被配置为将所述干涉光转换为电测量信号；

混频器，被配置为将所述电测量信号与具有第三频率的外部振荡信号进行混频以获得混频信号；

数字转换器，被配置为将所述混频信号转换为数字信号；以及

数字运算单元，被配置为对所述数字信号进行数字运算以获得有关被测对象的振动信息，以及

鉴频器，耦接到所述数字转换器，以从所述数字信号中鉴别出所述第一频移，其中所述外部振荡信号基于所鉴别出的第一频移而生成。

2.如权利要求1所述的外差激光测振仪，还包括本振信号发生器，被配置为接收所述鉴频器鉴别出的第一频移来生成所述第三频率的外部振荡信号，其中所述第三频率的值被设置为第一频移和预定系数的乘积与第二频率之和，以及所述预定系数为大于1的预设值。

3.如权利要求2所述的外差激光测振仪，还包括晶振源，用于提供具有第二频率的晶振信号，其中所述具有第二频率的晶振信号被同时提供给所述光学组件和所述本振信号发生器。

4.如权利要求2或者3所述的外差激光测振仪，其中所述预定系数为2。

5.如权利要求2或者3所述的外差激光测振仪，其中所述第二频率为40MHz。

6.如权利要求1-3中任一个所述的外差激光测振仪，还包括低通滤波器，耦接到所述混频器，以便对所述混频信号进行低通滤波以去除所述混频信号的高频部分，并将经过滤波的混频信号发送给所述数字转换器。

7.如权利要求3所述的外差激光测振仪，其中所述光学组件包括：

第一分光仪，被配置为将所生成的激光束分为参考光和测量光；

物镜，被配置为将测量光投射到具有被测对象上并接收从被测对象反射的测量光；

声光调制器，由所述具有第二频率的晶振信号驱动来对所述参考光进行频移；以及

第二分光仪，被配置为对由物镜接收的反射测量光和由声光调制器频移后的参考光进行干涉以生成干涉光。